體內(nèi)分子成像在臨床前動物模型中是深入理解生理機制的關(guān)鍵技術(shù)。在過去幾十年中，第一個生物窗口（紅外Ⅰ區(qū)，700-900nm）的熒光成像已廣泛應(yīng)用于此領(lǐng)域。由于紅外Ⅰ區(qū)較低的吸收和散射特性，其穿透力優(yōu)于可見光（見圖1（A））。然而，對于超過幾毫米深度的信號，圖像的分辨率和靈敏度較差，主要是因為熒光激發(fā)波長（通常為700nm）在該范圍內(nèi)的穿透性較差。

因此，紅外Ⅱ區(qū)成像（1000-1700nm）相較于可見光或紅外Ⅰ區(qū)熒光，具有更出色的空間分辨率、穿透深度和對比度。隨著這些優(yōu)勢的逐步顯現(xiàn)，紅外Ⅱ區(qū)成像正成為臨床前[1,4]和臨床[5]研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1-（A）生物組織中的光學(xué)窗口。在第一和第二紅外窗口中，血液和組織的吸收和散射被最小化，從而使光更容易穿透。（B）在第一和第二窗口中成像的穿透光譜

研究表明，紅外Ⅰ區(qū)成像中使用的部分造影劑在紅外Ⅱ區(qū)的光譜范圍內(nèi)也具有可用的發(fā)射光譜尾端（見圖2（B））。吲哚菁綠（ICG）是一種生物兼容且經(jīng)過FDA批準的造影劑，廣泛應(yīng)用于紅外Ⅰ區(qū)和紅外Ⅱ區(qū)的熒光成像中[6,7]。

然而，傳統(tǒng)的硅基相機在可見光和紅外Ⅰ區(qū)成像時表現(xiàn)良好，但在紅外Ⅱ區(qū)的光譜范圍內(nèi)并不敏感（見圖2（A））。因此，進行紅外Ⅱ區(qū)成像通常需要采用基于InGaAs傳感器的相機，這類相機在短波紅外區(qū)域（900-1700nm）具有較高的靈敏度。C-Red 2便是由First Light Imaging開發(fā)的一款640x512像素的InGaAs陣列相機，它將紅外Ⅱ區(qū)的高靈敏度與高幀率相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的動態(tài)成像。

圖2-（A）基于硅（Si）和銦鎵砷（InGaAs）傳感器的典型相機的靈敏度曲線。基于InGaAs的傳感器最適合在第二生物窗口中成像。（B） 吲哚菁綠的熒光激發(fā)發(fā)射譜

小動物成像實驗裝置，主要元件是用于樣本（小鼠）的載物臺、用于熒光激發(fā)的激光源和成像設(shè)備，成像設(shè)備包括物鏡、一組發(fā)射濾光片和用于檢測熒光的相機。對于下文所述的結(jié)果，C-Red 2相機安裝在現(xiàn)有的短波紅外成像裝置中。808nm激光器，提供120mW/cm2的照明，高通短波紅外濾光片。臨床前成像設(shè)備由OPTIMAL Grenoble建立。

圖3-實驗中使用的成像系統(tǒng)

將一只六周大的雌性裸鼠（Janvier Labs）麻醉，并在尾部靜脈注射500μmol/L的ICG。注射后t0至t+40s拍攝視頻。然后，采集了耳朵注射后15分鐘的放大圖像以及ICG在耳朵中的生物分布的延時圖。

靜脈注射ICG后，對小鼠全身進行體內(nèi)紅外II區(qū)成像提供了ICG在所有器官中的生物分布圖。后肢脈管系統(tǒng)、器官、血管系統(tǒng)和股血管清晰可見。請注意，圖像的低自發(fā)熒光和高對比度。下圖突出顯示了一些關(guān)鍵器官。采集參數(shù)為：10ms積分時間、100FPS、高增益、CDS模式。為提高對比度，進行灰值反轉(zhuǎn)，未做其他圖像處理。

圖4-紅外Ⅱ區(qū)小鼠全身的熒光體內(nèi)成像。血管網(wǎng)絡(luò)以高對比度看到。灰值反轉(zhuǎn)和自動縮放對比度

下圖集中拍攝小鼠腹部，突出了系統(tǒng)在對比度和分辨率方面的性能。輪廓上圖片的窄度說明了血管的高空間分辨率，而圖片的信噪比說明了信號與背景的比率。

圖5小鼠全身的紅外Ⅱ區(qū)熒光圖像（左）和沿紫色虛線的橫截面熒光強度分布（右）

使用更高放大倍數(shù)的鏡頭可以獲取特定感興趣區(qū)域的更詳細視圖。以下展示的是耳朵脈管系統(tǒng)的示例。采集參數(shù)包括：500ms的積分時間、2FPS的幀率、高增益以及CDS模式。為了提高對比度，進行了灰值反轉(zhuǎn)，未進行其他圖像處理。值得注意的是，高信噪比和信號背景比可以使皮膚和皮下血管顯現(xiàn)出來。

例如，在制藥應(yīng)用中，這種技術(shù)可以實現(xiàn)非侵入性的研究由敏感材料誘導(dǎo)的血管反應(yīng)，提供更加精準和清晰成像結(jié)果。

圖6-紅外Ⅱ區(qū)外耳脈管系統(tǒng)的熒光體內(nèi)成像

C-Red 2相機的增益和偏差實時校正功能，使高質(zhì)量圖像能夠?qū)崟r可視化。可以精確地研究熒光標記的生物分布。